CN1921106B - 光电封装和制造、使用该光电封装的方法和系统 - Google Patents

光电封装和制造、使用该光电封装的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光电封装和制造和使用该光电封装的方法和系统。在一个实施例中，光电封装包括衬底、腔、安装垫和沿腔散布的横向壁，垫由横向壁隔开，横向壁低于限定腔用的壁。光电封装还包括安装到垫的LED管芯。在另一个实施例中，一种用于背光照明LCD屏幕的系统包括：具有衬底的光电封装；安装到衬底的LED管芯；设置在LED管芯上的封装材料体；具有输入部和输出部的光导，输入部接收由LED管芯提供的光，并且附着于封装材料体，输出部配置成将光透射到LCD屏幕。在另一个实施例中，制造光电封装方法包括：制造衬底；将LED管芯附着于衬底；将每一个LED管芯电连接到衬底的输出部；在LED上设置封装材料体。

Description

光电封装和制造、使用该光电封装的方法和系统
技术领域
本发明涉及光电封装和制造和使用该光电封装的方法和系统。
背景技术
为了产生用于小屏幕LCD背光照明的白光，现在普遍将红色LED管芯、绿色LED管芯和蓝色LED管芯一起定位在一个封装中。有各种构造的红色、绿色和蓝色LED管芯，试图解决关于光混合和热管理的问题。众所周知的问题是在受限制的空间内由红色、绿色和蓝色LED管芯的组合中产生良好混合的白光。对于LCD显示器中的光源，有热沉和散热的问题。对于LCD背光照明，还有将多色光源混合以提供均匀颜色和均匀亮度的问题。而且，还有关于使热点区最小化和增加LCD上有效面积的问题。
参照图12A、12B、13A和13B，示出侧发光LED封装5。在图13A和13B中，示出耦合到侧发光LED封装5的光导板10。这种典型的背光照明构造有若干个缺点。一般而言，色彩混合由于相邻LED封装5之间的间距而不是最佳的，以致于造成暗点15，这反过来造成了热点，并且降低LCD的有效面积。
侧发光LED管芯20(还称为LED芯片20)定位在封装5内，并且通过导电和导热体25和到LED芯片20顶部的导线连接器30一起电和热连接到周围环境。这样，由LED管芯5产生的热通过导电和导热体25耗散。这不是将热有效地散发到周围大气的最佳构造。这种次最佳构造是由于由电和热路径具有的相对长的热路径造成的，这种状况造成相当高的热阻。
由每一个LED封装5内的LED管芯20产生光35。在每一个LED封装5内设置腔40，并且每一个腔40含有单个LED管芯20。这种配置允许若干侧发光LED封装5进行组合，这些发光LED封装5一起提供相对小范围的颜色。限制该颜色的范围是因为每一个LED管芯20发出单色光35，并且这些LED管芯20沿光导板10相互隔开得较远地进行设置。
对于更薄的LCD显示器，需要更薄的光导和更小的产品封装。为了提供高质量LCD屏幕中的最大可能的开口开度，产品的厚度和高度应该降至尽可能小的尺寸，改进与光导的光耦合。为了提供良好的色彩混合，红色、绿色和蓝色LED管芯应当互相靠近布置，而同时提供到周围温度的有效热路径。
发明内容
在一个实施例中，提供一种光电封装，包括衬底和多个发光二极管(LED)，衬底具有基部和多个限定腔用的壁，基部和多个限定腔用的壁限定具有主轴和开口的细长腔，基部具有在腔内的表面，在腔内的基部表面具有多个安装垫和多个沿腔的主轴散布的横向壁，其中，安装垫由横向壁隔开，并且其中，横向壁具有比限定腔用的壁的低的高度；发光二极管安装到衬底安装垫，使得在腔内射出光。
在另一个实施例中，提供一种用于背光照明LCD屏幕的系统，该系统包括光电封装和多个发光二极管(LED)，光电封装包括具有基部和多个限定腔用的壁的衬底，基部和多个限定腔用的壁限定具有主轴和开口的细长腔，基部具有位于腔内的表面，基部在腔内的表面具有多个安装垫和多个沿腔的主轴散布的横向壁，其中，安装垫由横向壁隔开，其中，横向壁具有比限定腔用的壁低的高度；发光二极管安装到衬底的安装垫，使得在腔内射出光，其中，LED管芯中的至少两个射出具有互相不同颜色的光，其中，较低高度的横向壁能够使从多个LED管芯发出的不同颜色的光在腔内混合，以在离开开口之前形成均匀颜色的光。封装材料体设置在LED器件上。该系统进一步包括具有输入部和输出部的光导，输入部配置成接收由LED管芯通过开口提供的均匀颜色的光，输入部附着于封装的封装材料体，输出部配置成将均匀颜色的光透射到LCD屏幕。
在另一个实施例中，提供一种用于制造光电封装的方法，该方法包括制造具有基部和多个限定腔用的壁的衬底，基部和多个限定腔用的壁限定具有主轴和开口的细长腔，基部具有在腔内的表面，基部在腔内的表面具有多个安装垫和多个沿腔的主轴散布的横向壁，其中，安装垫由横向壁隔开，其中，横向壁具有比限定腔用的壁低的高度；将多个LED管芯附着于腔内衬底的基部；将多个LED管芯中的每一个用导线接合电连接到与衬底的外部连接的多个导电迹线中一个；将封装材料体设置在腔内的多个LED管芯上。
在另一个实施例中，提供一种光电封装，该封装包括衬底和多个发光二极管(LED)，衬底具有基部和多个限定腔用的壁，基部和多个限定腔用的壁限定具有主轴和开口的细长腔，基部具有位于腔内的表面，基部在腔内的表面具有多个沿腔的主轴散布并且延伸通过该表面的安装垫；发光二极管(LED)安装到衬底的安装垫，使得在腔内射出光，其中，多个安装垫延伸通过在腔内的基部表面，使得热能够从LED管芯中的每一个沿由安装垫的厚度限定的路线传导到周围大气。
本发明还公开了其它实施例。
附图说明
本发明的示例性实施例在附图中示出，其中：
图1示出设计用于光源的LED封装的实施例；
图2示出使用图1的LED封装的背光照明单元系统；
图3示出设置在图1所示的LED封装的塑料衬底上的顶部导电迹线和底部导电迹线的剖视图；
图4示出附着于图3所示的塑料衬底的管芯和导线接合的剖视图；
图5示出设置在图4所示的塑料衬底的腔内和在管芯和导线接合上的封装材料的剖视图；
图6示出单独化的热垫的仰视平面图，这些热垫具有用于每一个管芯的贯穿其间的通道，从而使热耗散最大化，使管芯之间的热传递最小化；
图7示出图1的LED封装的横向剖视图，图中示出热流路径；
图8示出在两个相邻管芯之间具有横向壁的LED封装的实施例；
图9示出用于外部电连接的顶部导电迹线和底部导电迹线的示意图；
图10示出关于LED封装制造的流程图；
图11示出与光导一起耦合用于背光照明LCD屏幕的图1的封装；
图12示出侧发光LED；
图12B示出图12A示出的侧发光LED发光的示意图；
图13A示出与光导连接安装的一系列侧发光LED；
图13B示出启动图13A中示出的侧发光LED，产生没有光的暗点，这产生热点和由光导背光照明的LCD面板上的未被利用区域。
具体实施方式
参照图1-图5，在一个实施例中，提供光电封装100以产生用于光导105(图2)的白光。参照图1，光电封装100包括衬底110、形成在衬底110内的腔115、设置在腔115内并且附着于衬底110的多个LED管芯120。例如，衬底110可以由一种或多种不同材料形成。形成衬底110的材料可以包括但不限于塑料材料或陶瓷材料。在一个实施例中，形成衬底110的塑料材料可以包括高温塑料。例如，衬底110可以包括液晶聚合物(LCP)或AMODEL聚邻苯二甲酰胺。在一个实施例中，封装材料125(图5)设置在腔115内，并且盖住LED管芯120中的每一个。
还参照图1，衬底110的第一端130和第二端135互相相对。在第一端130和第二端135之间形成纵向轴线140。基部145在衬底110的第一端130和第二端135之间延伸。基部145的第一侧面150和第二侧面155互相相对。一对限定腔用的壁160从基部145的第一侧面150延伸开去。限定腔用的壁160的一对相对的表面165互相相向设置。
限定腔用的壁160在衬底110的第一端130和第二端135之间延伸。在衬底110中在基部145的第一侧面150和限定腔用的壁160的相对表面165之间形成腔115。开口170形成在衬底110中，并且延伸进入限定腔用的壁160之间的腔115中，开口170与基部145相对地布置。
参照图12A、12B、13A和13B，这种典型布置的缺点是在进入光导10之前光必须从LED管芯20传播通过空气。这种布置由于菲涅耳损失而造成光35的损失。
在一个实施例中，多个LED管芯120中的每一个安装到衬底110的第一侧面150，并且互相成直线且平行于纵向轴线140安装。参照图5，在一个实施例中，设置在衬底110的腔115内的封装材料125接收从多个LED管芯120中的每一个发出的光，并且将光直接透射到光导105。封装材料125的这种布置大大地降低了光损失，因为光在进入光导105之前没有通过气态环境。例如，封装材料125以包括环氧或硅树脂。
在一个实施例中，封装材料125可以包括包含在其中的散射件。可以在封装材料125内组成散射件，以辅助LED管芯120发出的光的色彩混合。
参照图7，在一个实施例中，示出基部145的第一侧面150和限定腔用的壁160的相对表面165配置成将LED管芯120发出的光反射通过开口170，使得向光导105提供白光(图2)。在一个实施例中，在腔115中塑料衬底110的壁160以一定的角度构建，以将所发出的光向封装100的开口170反射，并且还提供更强的光。
参照图8，在一个实施例中，一系列横向壁175从封装100的基部145的第一表面150延伸开去，并且在各对限定腔用的壁160之间延伸。在塑料腔115内，或者壁175在两个管芯120之间具有低高度，或者壁175被省略。设计这种壁的目的是使两个管芯120之间的光吸收最小化，这是因为光吸收能够减少管芯120中的每一个的效率。
可以使用横向壁175的向上变细的部分185和带角度的壁160一起在LED管芯120的相对侧上形成反射杯180。参照图8，横向壁175从最大高度190到最小高度195在和相邻的LED管芯120之间一给定的距离200上逐渐变细。带角度的壁175对于管芯120中的每一个充当单个反射杯185，使得向开口70反射更多的光。针对于每一个特定LED管芯120，包括带角度的全塑料壁160和横向壁175的反射杯185，其形状可以进行设计以提供更好的色彩混合并提供更好的光强度。
在一个实施例中，横向壁175可以包括成形部。该成形部可以包括例如，但不限于弯曲壁、阶梯壁或为LED管芯120提供更好色彩混合或更好光强度的其它构造。
还参照图8，在一个实施例中，封装100具有允许在腔115的封装材料125内色彩混合的尺寸，使得在通过开口170发光之前产生白光。多个LED管芯120中的每一个从基部145的第一侧面150形成最大高度205。多个横向壁175的每一个具有最大高度210，腔115具有最大深度215。多个LED管芯120中的每一个的最大高度205可以小于腔115的最大深度215的一半。多个LED管芯120中的每一个的最大高度205可以至少两倍于多个横向壁175的每一个的最大高度210，使得能够在封装内发生色彩混合，以在通过开口发光之前产生白光。
参照图1、图3-图6和图8、图9和图11，示出多个覆盖到塑料材料衬底110上的多个金属部220。在一个实施例中，金属部220可以包括铜金属。
参照图9，在一个实施例中，金属部220可以包括多个顶部导电迹线225，该顶部导电迹线225从基部145的第一侧面150，沿限定腔用的壁160的相对表面165中的一个延伸到设置在衬底110外部上的多个连接垫230。顶部导电迹线225允许靠近多个顶部导电迹线225中一个安装的多个LED管芯120中的每一个的上部分别电连接到多个连接垫230中的每一个。
还参照图9，金属部220可以包括设置在基部145的第二侧面155上的多个底部导电迹线235，并且延伸到设置在衬底110外部上的多个连接垫240。底部导电迹线235允许靠近多个底部导电迹线235中一个安装的多个LED管芯120中的每一个的下部分别电连接到多个连接垫240中的每一个。此外，底部导电迹线235用作设置在基部145的第二侧面155上的热沉，其中，多个LED管芯120中的每一个分别热连接到多个热沉中的一个。
参照图11，在一个实施例中，凹部245可以形成底部导电迹线235中，以向多个LED管芯120中的每一个提供附加气流。在一个实施例中，衬底110形成有一系列通过基部145的通道。金属部220可以覆盖在这些通道的至少一部分上，形成底部导电迹线235。散热比现有的封装设计好，这是因为底部导电迹线235的每一个具有宽的表面积，而且底部导电迹线235的至少一部分允许从LED管芯120到周围大气的直接热传导。还有，LED管芯120中的每一个直接附着于底部导电迹线235对应的迹线，使得提供很短的热路径。
在一个实施例中，可以提供不具有凹部的底部导电迹线235。迹线235可以使用热脂、热胶或导热的其它化合物附着于金属热沉。在一个实施例中，由LED管芯120产生的热不很高，允许自然空气流使具有附在迹线235另一侧上的LED管芯120的封装100保持冷却。这又增加了LED管芯120更有效率的性能，具有更亮的输出或更低的光输出效率下降率。
还参照图11，在一个实施例中，多个LED管芯120中的每一个的底部电连接到底部导电迹线120中对应的迹线。
在一个实施例中，安装到衬底110的第一表面150的多个LED管芯120包括红色LED管芯、绿色LED管芯和蓝色LED管芯。
在一个实施例中，蓝色LED管芯可以与设置在腔115内的荧光材料一起提供。通过由蓝色LED和设置在腔115内的荧光材料射出的光而形成白色光，使得白色光通过开口170射出。例如，荧光材料可以包含在填充腔的硅树脂或环氧的预混合料中。
参照图8，在一个实施例中，安装多个LED管芯120而以垂直于基部145纵向轴线140的方向250发光。在一个实施例中，单导线接合255电连接多个LED管芯120中的每一个的顶部。可选地，双导线接合260与多个LED管芯的一个或多个电连接。
在一个实施例中，在衬底10的第一端130和第二端135之间根据光导105的要求选择LED管芯120的数量以形成一定长度。
参照图2，在一个实施例中，提供一种用于背光照明LCD屏幕的系统262。系统包括光电封装100和具有输入部260和输出部265的光导105。输入部260配置成接收由封装100通过开口170提供的白光。输入部260可以附着于封装100的封装材料125。输出部265配置成将白光透射到LCD屏幕270。此外，可以在光导105和LCD屏幕270之间提供散射件275和棱镜片280。反射器285还可以与LCD屏幕270相对地靠近光导105定位。
现在参照图10，示出的流程图290图示制造产生用于光导105的白光的光电封装100(图2)的方法。在一个实施例中，该方法包括制造衬底110(295)，将多个LED管芯120附着于腔115内衬底110的第一表面150(300)，将多个LED管芯120中的每一个电连接到与衬底110外部连接的多个导电迹线220中的一个(305)，和在衬底110的腔115内设置封装材料(125)，盖住多个LED管芯120(310)。此外，制造封装100的方法可以包括在衬底10的腔115内设置封装材料125之后使封装材料125固化。
在一个实施例中，光通过封装100的壁反射并且被引导出开口170，不再需要引导光源用的反射器。开口170可以具有保证所有的光引导到光导105的穿过封装100的小尺寸开度。
在一个实施例中，使用导电和导热粘附剂将LED芯片120安装到衬底110。
为了获得良好的色彩混合和亮度均匀性，LED管芯120互相靠近布置。可以针对在封装壳体自身内的色彩混合来优化管芯120之间的间距，使得仅仅将选定颜色的光诸如白光射出到封装100的外部，而没有将单个管芯颜色发出。这还降低了与光导105耦合时的热点和没被利用的LCD面积。在优选的实施例中，LED管芯120中的每一个可以单个地选址，并且取决于应用，可在外部完成LED管芯120中的每一个之间的连接。

Claims (26)

1.一种光电封装，包括：
衬底，所述衬底具有基部和多个限定腔用的壁，所述基部和所述多个限定腔用的壁限定具有主轴和开口的细长腔，所述基部具有在所述腔内的表面，在所述腔内的所述基部的表面具有多个安装垫和多个沿所述腔的主轴散布的横向壁，其中，所述安装垫由所述横向壁隔开，其中，所述横向壁的高度比所述限定腔用的壁的高度低；
多个发光二极管管芯，安装到所述衬底的安装垫，使其在所述腔内发光；
多个导电迹线，从所述基部的腔内的所述表面沿所述多个限定腔用的壁中的一个延伸到设置在所述衬底外部上的多个连接垫，使所述多个发光二极管管芯中位于各个所述导电迹线附近的各发光二极管管芯分别电连接于所述多个连接垫中的各连接垫。
2.根据权利要求1所述的封装，其中，所述多个发光二极管管芯中的至少两个发出颜色互不相同的光，其中，所述较低高度的横向壁能够使从所述多个发光二极管管芯发出的不同颜色的光在所述腔内混合以在离开所述开口之前形成均匀颜色的光。
3.根据权利要求1所述的封装，其中，安装到所述衬底第一表面的所述多个发光二极管管芯包括红色发光二极管管芯、绿色发光二极管管芯和蓝色发光二极管管芯。
4.根据权利要求1所述的封装，其中，安装到所述衬底第一表面的所述多个发光二极管管芯包括蓝色发光二极管管芯，并且进一步包括设置在所述腔内的荧光材料，其中，白色光通过由所述蓝光发光二极管和设置在所述腔内的所述荧光材料发出的光形成，而且，所述白色光通过所述开口射出。
5.根据权利要求1所述的封装，其中，所述多个横向壁中的每一个具有一对相对的部分，这对相对的部分沿着远离所述安装垫中与其相邻的安装垫的方向相向地向上倾斜延伸。
6.根据权利要求1所述的封装，进一步包括设置在腔内发光二极管管芯上的封装材料体。
7.根据权利要求1所述封装，其中，一对所述横向壁互相相对设置，且所述发光二极管管芯中的一个在所述一对横向壁之间，所述一对横向壁与围绕所述一对横向壁之间的所述发光二极管管芯中的一个的所述限定腔用的壁一起形成反射杯。
8.根据权利要求1所述的封装，其中，所述多个发光二极管管芯具有最大高度，所述多个横向壁具有最大高度，所述腔具有最大深度，所述多个发光二极管管芯的最大高度小于所述腔的最大深度的一半，所述多个发光二极管管芯的最大高度至少是所述多个横向壁的最大高度的两倍。
9.根据权利要求1所述的封装，其中，所述衬底包括塑料材料。
10.根据权利要求9所述的封装，其中，所述塑料材料包括高温塑料。
11.根据权利要求10所述的封装，其中，所述高温塑料是液晶聚合物。
12.根据权利要求10所述的封装，其中，所述高温塑料是聚邻苯二甲酰胺。
13.根据权利要求9所述的封装，其中，所述多个导电迹线是覆盖在所述衬底的塑料材料上的金属。
14.根据权利要求13所述的封装，其中，所述多个导电迹线包括设置通过所述基部的多个热沉，其中，所述多个发光二极管管芯中的每一个分别热连接到所述多个热沉的一个。
15.根据权利要求13所述的封装，其中，所述多个导电迹线包括铜材料。
16.根据权利要求1所述的封装，其中，单导线接合提供所述多个发光二极管管芯中的一个和所述多个导电迹线中的对应一个之间的电连接。
17.根据权利要求1所述的封装，其中，双导线接合提供所述多个发光二极管管芯中的一个和所述多个导电迹线中的对应一个之间的电连接。
18.根据权利要求14所述的封装，其中，所述多个发光二极管管芯中的每一个的底部与所述多个热沉的对应热沉连接。
19.根据权利要求1所述的封装，其中，所述衬底包括陶瓷材料。
20.一种用于背光照明液晶显示器屏幕的系统，所述系统包括：
光电封装，包括：
衬底，所述衬底具有基部和多个限定腔用的壁，所述基部和所述多个限定腔用的壁限定具有主轴和开口的细长腔，所述基部具有位于所述腔内的表面，所述基部在所述腔内的表面具有多个安装垫和多个沿所述腔的主轴散布的横向壁，其中，所述安装垫由所述横向壁隔开，其中，所述横向壁具有比所述限定腔用的壁低的高度，
多个发光二极管管芯，安装到所述衬底的安装垫，使其在所述腔内发光，其中，所述发光二极管管芯中的至少两个发出颜色互不相同的光，其中，所述较低高度的横向壁能够使从所述多个发光二极管管芯发出的不同颜色的光在所述腔内混合，以在离开所述开口之前形成均匀颜色的光，
封装材料体，所述封装材料体设置在所述发光二极管器件上；
多个导电迹线，从所述基部的腔内的所述表面沿所述多个限定腔用的壁中的一个延伸到设置在所述衬底外部上的多个连接垫；
光导，所述光导具有输入部和输出部，所述输入部配置成接收由所述发光二极管管芯通过所述开口提供的均匀颜色的光，所述输入部附着于所述封装的封装材料体，所述输出部配置成将所述均匀颜色的光透射到所述液晶显示器屏幕。
21.一种制造光电封装的方法，包括：
制造具有基部和多个限定腔用的壁的衬底，所述基部和所述多个限定腔用的壁限定具有主轴和开口的细长腔，所述基部具有在所述腔内的表面，所述基部在所述腔内的表面具有多个安装垫和多个沿所述腔的主轴散布的横向壁，其中，所述安装垫由所述横向壁隔开，其中，所述横向壁具有比所述限定腔用的壁低的高度；
将多个发光二极管管芯附着于所述腔内所述衬底的基部；
形成多个导电迹线，所述导电迹线从所述基部的腔内的所述表面沿所述多个限定腔用的壁中的一个延伸到设置在所述衬底外部上的多个连接垫；
将所述多个发光二极管管芯中的每一个用导线接合电连接到所述多个导电迹线中的一个；
将封装材料体设置在所述腔内的所述多个发光二极管管芯上。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：在将所述封装材料体设置在所述腔内的所述多个发光二极管管芯上之后，使所述封装材料体固化。
23.一种光电封装，包括：
衬底，所述衬底具有基部和多个限定腔用的壁，所述基部和所述多个限定腔用的壁限定具有主轴和开口的细长腔，所述基部具有位于腔内的表面，所述基部在腔内的表面具有穿过该表面的多个安装垫，所述多个安装垫沿所述腔的主轴散布；
多个发光二极管管芯，安装到所述衬底的安装垫，使得在所述腔内发光，其中，所述多个安装垫延伸通过在所述腔内的所述基部的表面，使得热能够从所述发光二极管管芯中的每一个沿由所述安装垫的厚度限定的路线传导到周围大气；
多个导电迹线，从所述基部的腔内的所述表面沿所述多个限定腔用的壁中的一个延伸到设置在所述衬底外部上的多个连接垫。
24.根据权利要求23所述的封装，进一步包括设置在所述腔内的所述多个发光二极管管芯上的封装材料体。
25.根据权利要求23所述的封装，进一步包括多个横向壁，所述横向壁沿所述腔的主轴散布，其中，所述安装垫由倾斜的成对的所述横向壁隔开，其中，所述横向壁具有相对的部分，所述相对的部分沿着远离安装垫中与其相邻的安装垫的方向具有向上的斜坡，其中，所述横向壁具有比所述限定腔用的壁低的高度。
26.根据权利要求23所述的封装，其中，所述发光二极管管芯的至少两个发出颜色互不相同的光，其中，从所述发光二极管管芯发出的不同颜色的光在所述腔内混合，以在离开所述开口之前形成均匀颜色的光。
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